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钾离子，质子，氯离子三种通道蛋白

2014-03-03 05:37阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2083726880

钾是细胞内的主要阳离子，其浓度为150～160mmol/L，而细胞外的主要阳离子是钠离子，血清钾浓度仅为3.5～5.0mmol/L。机体主要依靠细胞膜上的Na＋-K＋ATP酶来维持细胞内外的K＋、Na＋浓度差。
钾离子通道主要有四种分类：
钙激活钾离子通道(Calcium-activated potassium channel)：当钙离子或其它讯息分子出现时开啓。
内向整流钾离子通道(Inwardly rectifying potassium channel)：使正电荷（电流）由细胞外向细胞内流入较容易。
串联孔域钾离子通道
(Tandem pore domain potassium channel)：纵列孔洞钾离子通道：通道常开啓或拥有基本的刺激，像是在神经细胞中的静止钾离子通道制造膜电位的负电性。
电压门控钾离子通道(Voltage-gated potassium channel)：当膜内外电位产生改变时，此离子通道开合。
美國洛克斐勒大學(Rockefeller University) Howard Hughes醫學中心以Roderick MacKinnon為首的研究小組首度發現電位調控型鉀離子通道(voltage-dependent Potassium channel，簡稱Kv channel)的蛋白質立體結構，並據此提出鉀離子通道感應細胞膜電位變化而快速開關的新機制。
離子通道(ion channel)廣泛存在於各種細胞膜上，是離子進出細胞的通路。其中電位調控型離子通道(voltage-dependent ion channel)能夠感應細胞膜電位變化而快速精準地開啟或關閉，在肌肉及神經動作電位傳遞上至為重要。近年來利用patch clamp等電生理實驗技術，科學家們對於其功能與作用已有相當深入的了解。但是過去由於缺乏來自結構生物學的直接證據，研究人員仍未能確認離子通道如何感應膜電位變化而快速開關的機制。
以鉀離子通道為例，已知它是由四個次單元(subunit)所組成的蛋白質，每個次單元由六個疏水性區段(hydrophobic segments)S1-S6構成，各次單元的S5-S6區段共同圍繞出供離子通過的通道壁。以往的模型認為，包埋在蛋白質次單元核心部位的S4區段具有帶正電荷的arginine胺基酸，能夠感測膜電位變化而在蛋白質內部小幅移動(translation)或轉動(rotation)，進一步帶動離子通道底部的閘門控制機構產生形變，控制通道的開啟或關閉。然而MacKinnon研究小組發表於5月1日「自然」雜誌的鉀離子通道蛋白質立體結構卻推翻了這種推測。
研究小組設法讓鉀離子通道蛋白結晶，並由該結晶的X光繞射結果首度獲得其立體結構圖像。該立體結構顯示，各蛋白質次單元中，由S3(b)與帶有四個正電荷的S4區段共同組成的電位感應機構 (研究小組稱之'voltage-sensing paddle') 並非包埋其核心內，而是位於外圍位置並暴露於細胞膜脂質中，能夠感應膜電位變化在細胞膜兩個面之間大幅跳躍(flip)。
當膜電位為負時，離子通道處於關閉狀態，voltage-sensing paddle位於細胞膜的內側面(intracellular surface)。當細胞膜發生去極化(depolarize)時，細胞膜兩邊的電場梯度使帶正電荷的voltage-sensing paddle受力而橫越細胞膜移位至外側面 (extracellular surface)位置，並使通道蛋白產生形變讓離子通道打開。研究小組並且利用抗體結合到電位感測機構以及avidin-biotin molecular rule實驗技術為新模型提出佐證。
蛋白質結構是了解蛋白質功能的重要媒介；結構的獲得主要是透過蛋白質結晶的X光繞射實驗。然而膜蛋白卻是出了名的難結晶，為了克服結晶的問題，研究小組利用由一種名為Aeropyrum pernix的嗜熱性古細菌(thermophilic archaebacterium)分離出來的鉀離子通道蛋白(KvAP)作為實驗對象。KvAP的結構較為安定堅固，且其胺基酸序列與真核細胞的Kv通道蛋白高度相關，兩者也具有相同的電生理特性。研究小組並嚐試將單株抗體結合到KvAP通道的電位感測機構上，使其固定並建立結晶的附著點。經過五年的努力終於成功獲得鉀離子通道蛋白的結晶，並利用X光繞射方法定出其結構。
在定出KvAP通道的結構之後，基因序列的佐證使科學家們相信膜電位調控型鈉離子與鈣離子通道也有類似的電位調控機制。未來將可針對離子通道的電位感測機構設計新的藥物，為治療離子通道疾病(channelopathy)開啟新的方向。
钾离子通道在钾离子通过选择性滤嘴时会移去水合层。选择性滤嘴是由每个次单位的p-loop上五个残基(TVGYG-原核物种)所形成，而每个次单元都含有连于过滤孔中心，电阴性的羰基氧原子，且在每个钾离子接合处周围形成反角柱状的水合曾。碳氧基与过滤器钾离子接合处的距离与第一水合曾之水分子氧与水溶液中之甲离子距离相等。由于滤嘴与螺旋孔之间的强烈的相互作用，能预防通道萎陷为较小的钠离子通道大小，因此钠离之通行在电位能上是不利的。选择性滤嘴会朝向细胞外溶剂，让四个在甘氨酸残基上的碳氧基 (KcsA上的Gly79)裸露在细胞外。另一个朝细胞外的残基则是带负电的 Asp80 (KcsA)。这两个残基连同五个滤嘴的残基则形成连接胞外溶液与在蛋白中心的水充填腔之孔道。
碳氧基为强的负电荷及正电荷的吸引基。过滤器能将钾离子安置于4个接合点，从细胞外结构开始标示起，标示为S1~ S4。另外，在腔道中一个离子能接合在称为SC接合处的地方，或者多个离子接在已被确定的接合点，称为S0或 Sext。许多不同的接合组态在这些接合点上是可能发生的。由于X光晶体衍射结构是许多分子之平均结构，因此不可能直接指出当下结合组态的结构。
总括的说，有些缺点是两个邻近结合点都被离子结合而造成了静电排斥。在KcsA上之离子位移的机转已借由模拟技术被透彻的研究。一个完整的24=16态的自由能图(其特点为占有S1, S2, S3和S4之轨域)已经借由分子动力学之模拟计算出，结果指示此两个具有双轨域态之自由能，(S1, S3)及(S2, S4)，在预测的离子传导机制里扮演重要的角色。
在高浓度之钾离子的环境下形成之较好分辨率的KcsA结构可发现Sext和S0这两个胞外状态。分子动力模拟包含了整个离子的所有路径，从腔室到通过四个滤嘴直到S0和Sext状态之自由能的计算。钾离子通道之选择性滤嘴的氨基酸序列是保守的，除了在真核的钾离子通道里的一个异亮氨酸残基常取代了原核之通道上的缬氨酸残基。氨基酸序列的选择性过滤器的钾离子通道是保守的，除了一个异亮氨酸残留在真核钾离子通道，常常是取代了缬氨酸残留在原核渠道。
一个10埃宽的中央孔洞，位于跨膜通道的中心附近，由于通道壁斥水性的关系，对于要穿膜的离子来说此处的能量阻力最高。此充满水的腔室，及孔螺旋之极性的C终端降低离子通过时的能量阻力。认为先前许多已通过的钾离子所形成的斥力增加离子的通过量。
某些钾离子通道：
内向整流钾离子通道族：这些通道允许钾离子以内向整流的方式流进细胞内，或者说，钾离子流进细胞的效率远大于流出的效率。这一族由15个正式成员和1个非正式成员构成，并按照同源性更进一步的被划分为7个亚族。这些通道受细胞内的三磷酸腺苷（ATP）、PIP2以及G蛋白βγ亚基单元的影响。它们和一些重要的生理学过程有关，例如心脏的起搏活动，胰岛素的释放，以及神经胶质细胞的钾吸收。这类通道仅包含2个跨膜区，分别是KV和KCa这两个构成核心孔的区段。它们的α亚基单元也是四聚体形式的。
钙激活钾离子通道族：这一族是由细胞内钙离子（Ca2+）激活的，包含8个成员。
双孔结构钾离子通道族：这一族有15个成员，是一种泄露通道，该通道符合Goldman-Hodgkin-Katz电流方程式，并以此来进行整流器。
Birth of an Idea (2007) ，朱利安·沃斯-安德烈受罗德里克·麦金农委托制作的一个雕像，该雕像是基于麦金农团队于2001年发现的钾离子通道分子三维结构创作的。
钾离子，质子，氯离子三种通道蛋白
在Science杂志上，MacKinnon和同事们最近发表了两篇文章，是关于Shake家族的哺乳动物电压依赖性K+ 通道(voltage-dependent K+ (Kv) channel)的结构。Kv离子通道根据膜电压来调控K+的穿膜过程。之前我们对于K+通道的结构信息主要来自于对原核生物离子通道的研究，因为原核生物较容易高表达离子通道相关基因。进一步地，这些最新文章则研究了大鼠脑中Kv1.2离子通道及其β2亚基的晶体结构（β亚基可以在体内调控哺乳动物Kv离子通道的活性），分辨率可达2.9埃。
这个四倍性复合物（由四个相同结构对称地组成），具体的结构如下：穿膜区域，包括通道的孔和四个电压感应器（voltage sensor）；一个膜内(T1)结构域，由四个Kv1.2亚基的N末端构成；四个β2亚基，结合到T1结构域上。
该离子通道的孔看起来似乎开口着，有些类似于原核生物K+通道，但有一个重要区别就是：Kv1.2离子通道内螺旋的曲率（curvature）是由保守的Pro-X-Pro序列引起的，而原核生物K+通道的曲率则是因为一个Gly氨基酸残基而引起的。
离子通道的孔与细胞质由很大的侧入口（side portal）相连。这个侧入口所处的位置是在孔和T1结构域之间。从T1结构域和β亚基的N末端所处的位置和特性，以及侧入口的静电学特性（electrostatic properties）来看，这些末端很可能是不被激活的肽链，仅仅作为堵塞侧入口的“塞子”。这个结构表明了β亚基是怎样通过其他的方式来调控离子通道的功能。最后，因为电压感应器看起来是在蛋白质天然构型的内部，这就为下面一个问题提供了一个相对简单的答案：膜电压是如何影响已经敞开的离子通道的关闭或是开放的可能性？
钾离子，质子，氯离子三种通道蛋白
钾离子（紫色）通过钾离子通道的俯视图（PDB 1BL8）
钾离子，质子，氯离子三种通道蛋白
电压门控质子通道，在反极化的情况下被打开，但这一过程的酸碱度敏感性很强。也就是说，仅当电化学梯度是外向的情况下，这些通道才会被开启。于是质子通过这种通道只能离开细胞。这种通道的一个功能就是将细胞内的酸排出，另一个功能是吞噬细胞在呼吸爆发作用下，保持细胞的电平衡。在诸如嗜酸性白细胞、嗜中性白细胞以及巨噬细胞等免疫细胞吞噬细菌或者其它微生物之后，会产生大量的NADPH氧化酶。这些酶会生成活性氧来杀死被吞噬的细菌，而此过程会产生电势，迫使电子移出细胞膜外。此时打开质子通道则可以保持点平衡。

氯离子是广泛存在于自然界的氯的-1价离子，无色。氯离子是生物体内含量最丰富的阴离子，通过跨膜转运和离子通道参与机体多种生物功能。氯离子起着各种生理学作用。许多细胞中都有氯离子通道，它主要负责控制静止期细胞的膜电位以及细胞体积。在膜系统中，特殊神经元里的氯离子可以调控甘氨酸和伽马氨基丁酸的作用。氯离子还与维持血液中的酸碱平衡有关。肾是调节血

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